Para definir un equipo es necesario determinar sus características funcionales ligadas básicamente a los parámetros tensión y corriente.

Analizaremos a continuación cada característica, primero independiente de los equipos a los cuales corresponde y luego particularizando las mismas a los equipos en cuestión y sus diferencias con otros.

Las características eléctricas de los equipos de potencia, que se comprueban con ensayos, están ligadas a su aislación, y su capacidad de transportar corrientes y sobrecorrientes.

Se puede realizar una lista de estas características, el objetivo final es una tabla que relaciona equipos y sus características eléctricas asociadas.

- características ligadas a la aislación:

- entre partes en tensión y tierra.

- sobre el seccionamiento.

- tensión nominal.

- tensión de ensayo de frecuencia industrial.

- tensión de ensayo de maniobra.

- tensión de impulso atmosférico.

- características de transporte de corriente:

- corriente nominal, permanente.

- corriente de breve duración.

- corriente de pico máximo.

- poder de interrupción.

- otras características, mecánicas, dimensionales, etc.

En las instalaciones trifásicas algunos de los aparatos que se instalan son tripolares (interruptores, seccionadores), otros en cambio son unipolares (Transformadores de medición, descargadores, trampa de onda, capacitor de acoplamiento, aisladores).

Este criterio se utiliza aún para el equipamiento de muy alta tensión donde también los aparatos tripolares están formados por tres polos completamente independientes.

Efectivamente al hablar de un interruptor o seccionador se los entiende como tripolares, mientras que un transformador de corriente, tensión, descargador etc. se entienden como aparatos unipolares.

La tensión nominal (Un) de un componente de un sistema es el valor de tensión con el cual se lo denomina y al cual se refieren algunas de sus características.

En general la tensión nominal de un componente de un sistema corresponde al límite superior de la más alta tensión del sistema para la cual el aparato está previsto.

Se debe verificar que la tensión que se presenta en la red sea siempre inferior a la tensión nominal de los aparatos.

Esta referencia se hace, no para situaciones de breve duración (Transitorias, Sobretensiones), sino para las condiciones de funcionamiento normal (permanente) de la instalación.

Para los componentes de los sistemas trifásicos, en general, la tensión (Un) coincide con la máxima tensión de línea (tensión compuesta) y caracteriza la dimensión de los aisladores.

Para el caso particular de los descargadores, que se conectan entre fase y tierra, su tensión nominal se elige en función de los máximos valores que puede alcanzar la tensión de fase.

Esta situación debe ser estudiada también frente a estados transitorios que se presentan en la red. Cuando se produce una falla en un punto de la red, las fases sanas pueden tomar valores de tensión de fase elevada en función al grado de puesta a tierra que existe en el punto donde está instalado el equipo.

El factor de puesta a tierra es la mayor relación que se tiene entre la tensión en las fases sanas y la tensión sin falla, para falla en un punto dado de la red.

Para determinar este factor se deben poner en cortocircuito monofasico a tierra una fase y determinar las tensiones en las fases sanas.

Para un sistema rígidamente a tierra este factor debería ser 1, en un sistema aislado sin resonancias entre capacitancias de líneas y respectivas reactancias este factor es 1.73, en general en los sistemas reales se considera que este factor asume valores intermedios.

Se dice que un sistema tiene neutro a tierra cuando el factor de puesta a tierra está comprendido entre 1 y 1.4.

Con el nivel de aislación nominal se definen las tensiones de ensayo a frecuencia industrial durante un (1) minuto, y a impulso atmosférico que determinan las características de aislación del equipo.

Para tensiones altas, según las recomendaciones de la IEC, por encima de los 72,5 kV, el nivel de aislación se debe elegir teniendo en cuenta el grado de puesta a tierra.

Para tensiones desde 300 kV se definen tensiones de ensayo de impulsos de maniobra y de impulso atmosférico para determinar las características de la aislacion.

Si está asegurada la condición de puesta a tierra se pueden elegir valores menores, que corresponden a equipos con aislación reducida, lo que implica una economía.

Los interruptores con aislación reducida destinados a Sincronización, pueden requerir una tensión de aislación a frecuencia industrial entre contactos del interruptor abierto, mayor que la normal.

Este requerimiento es necesario con el objeto de mantener la aislación en condiciones de oposición de fases, de los sistemas, a ambos lados del interruptor.

Los seccionadores se caracterizan por tener una tensión de ensayo entre contactos abiertos que es superior a la tensión de ensayo hacia tierra y entre polos. La razón de esta condición es garantizar la aislación entre las partes del sistemas que el seccionador separa.

En efecto, si ocurriera una sobretensión en una parte del sistema, primero se produciría la descarga fase-tierra y en consecuencia la sobretensión no podría propagarse a través de los contactos principales del seccionador.

Cabe mencionar que para los interruptores ambos valores son iguales, debido a que la mayor aislación necesaria, la tendrán siempre los seccionadores asociados.

En cambio los descargadores, destinados a conducir, no poseen las características de aislación enunciadas anteriormente.

Esta es una característica que poseen exclusivamente los descargadores, cuya función es precisamente drenar las sobretensiones limitándolas.

Es de importancia que los descargadores soporten las sobretensiones temporarias (dadas por una combinación de valores tensión-tiempo).

La característica de descarga a tensiones de impulso atmosférico y de maniobra permiten verificar las máximas solicitaciones de la aislación.

También son características exclusivas de los descargadores la tensión de cebado, y la tensión residual.

Esta es una característica relacionada también con la aislación, se trata de asignarle en particular a la aislación superficial, siempre necesaria en los diseños, una resistencia adecuada a la contaminación que produce el ambiente.

En las superficies de los aisladores se producen depósitos que afectan sus características en el tiempo.

La defensa contra esta contaminación es el aumento de la línea de fuga de los aisladores (de 2 a 6 cm/kV fase tierra) según sea la clase de polución.

Estas son características exclusivas de los aparatos que conducen la corriente.

En consecuencia quedan excluidos los transformadores de Tensión, capacitores de acoplamiento, aisladores, etc.

Corriente nominal en servicio continuo es el valor eficaz de la corriente que el aparato está en condiciones de conducir en forma permanente, a la frecuencia nominal, manteniendo las temperaturas de sus diferentes partes, dentro de valores especificados.

Como es lógico en estas condiciones no deben producirse deterioros ni envejecimientos acelerados, tanto para las partes conductoras como para las aislantes. Los seccionadores de puesta a tierra, cuya función no es conducir corrientes permanentes, no poseen esta característica.

Se trata de una característica que corresponde a los interruptores.

Poder de interrupción de cortocircuito es la más elevada corriente de cortocircuito que el interruptor debe ser capaz de interrumpir en condiciones de uso y comportamiento especificadas, con cortocircuito en bornes.

Las especificaciones (las normas) cubren aspectos que definen la componente unidireccional de la corriente, la tensión de restablecimiento a frecuencia industrial y transitoria, tiempo de actuación de las protecciones y condiciones del circuito.

Es la que se presenta en un polo de interruptor en el instante de inicio del arco, durante una operación de apertura.

Son de interés distintos tipos de interrupciones, algunas en condiciones normalizadas, y otras sujetas a acuerdo especial:

- interrupción de cortocircuito en bornes

- interrupción de falla en línea

- interrupción en discordancia de fase

- interrupción de líneas en vacío, y cables en vacío.

- interrupción de baterías únicas de capacitores

- interrupción de corrientes magnetizantes y pequeñas corrientes inductivas.

- interrupción de baterías múltiples de capacitores

- interrupción de falla secundaria de transformadores

Las normas indican que deben ser objeto de especial acuerdo entre constructor y usuario las siguientes aplicaciones;

- Interruptores conectados a generadores.

- Interruptores conectados a transformadores, que aportan más del 50% de la corriente correspondiente al poder de interrupción del interruptor.

- Interruptores próximos a reactores serie.

- Interruptores para baterías múltiples de capacitores.

Es el máximo valor de cresta de la corriente que un interruptor puede establecer con una tensión especificada, y en condiciones de uso y comportamiento establecidas.

Ciertos tipos de seccionadores de puesta a tierra deben satisfacer este requerimiento, cuando se presenta la posibilidad de cerrarlos sobre una falla.

Esta condición exige en particular, que el comando del seccionador y su mecanismo de accionamiento sean particularmente rápidos, a semejanza de un interruptor.

Los interruptores operan en modo trifásico y para ciertas aplicaciones se requiere la posibilidad de operación monofásica.

La secuencia de maniobras indica la sucesión de maniobras que el interruptor debe poder ejecutar (apertura-tiempo-cierre apertura-tiempo-cierre apertura, por ejemplo: O-0,3s-CO-3m-CO)

Son características importantes el tiempo de cierre, y el tiempo total de interrupción.

El tiempo de cierre se mide desde la orden impartida hasta el efectivo cierre de los contactos principales.

El tiempo total de interrupción cubre el tiempo de apertura desde que se imparte la orden hasta el inicio de separación de los contactos de arco de todos los polos, y la duración del arco desde la iniciación del primer arco hasta la extinción del último arco.

Es la que un aparato puede soportar por un breve lapso, del orden de segundos y se indica por su valor eficaz.

Este tiempo se lo denomina máxima duración del cortocircuito.

La solicitación correspondiente es de característica térmica respondiendo a una evolución adiabática, donde todo el calor generado es acumulado por las masas metálicas conductoras.

Se acepta para tiempos distintos del indicado, que el valor I^2 t se mantiene constante.

Es el pico máximo de corriente (Is) que un aparato puede soportar.

También esta es una característica que poseen exclusivamente los descargadores, y está representada por la energía (corriente, tiempo) que son capaces de drenar.

Estas características son:

- Relación de transformación, que es la relación entre las corrientes nominales primaria y secundaria (Kn) .

- Error de corriente, que es el que introduce el transformador en el módulo de la corriente:

e = (Kn * Is - Ip) / Ip

- Error de ángulo, diferencia de fases entre corriente primaria y secundaria.

- Prestación nominal es la carga expresada por su potencia aparente y factor de potencia, referida corriente nominal secundaria, a la que corresponden los valores límites de error.

- Potencia nominal, o de precisión, es la que el transformador entrega a la corriente nominal secundaria cuando tiene conectada la prestación nominal.

- Corriente térmica y dinámica se controlan con el secundario en cortocircuito.

- Corriente máxima permanente de calentamiento, es el mayor valor eficaz de la corriente que puede hacerse circular en el primario, sin que el calentamiento supere límites establecidos.

Según la función del transformador de corriente, es de importancia su comportamiento en el campo de sobrecorrientes, hasta el valor de corriente de cortocircuito, en el punto de instalación.

Si el núcleo es de medida, y en sus secundarios se conectan dispositivos sensibles a las sobrecorrientes, debe en lo posible limitar la corriente secundaria, cuando se alcanzan valores elevados, debe ser entonces saturable.

En general los modernos sistemas electrónicos, tienen autoprotección contra sobrecorrientes por lo que frecuentemente no es necesaria la saturación del transformador.

Cuando la función del equipo es registro de transitorios, que se producen particularmente con corrientes elevadas, los núcleos no deben saturarse, para que el registro sea fiel.

Si el núcleo es de protección en cambio, debe estar dimensionado de manera de no limitar la corriente secundaria, es decir no debe saturarse, debe tener pequeño error aun con corrientes elevadas.

Definiremos las características particulares de los Transformadores de Tensión, ellas son:

- Relación de Transformación, que es la relación entre las tensiones normales primaria y secundarias (Kn)

- Error de tensión, que es el que introduce el transformador en la medida del módulo de la tensión.

e = (Kn * Us - Up) / Up

- Error de ángulo, que es la diferencia de fases entre las tensiones primaria y secundaria.

- Prestación nominal, es la carga expresada por su potencia aparente y factor de potencia referida a la tensión nominal secundaria a la que corresponden los valores límites de error.

- Potencia térmica nominal, es la potencia aparente con factor de potencia unitario que el transformador puede entregar sin superar los límites de temperatura establecidos.

- Factor de Tensión nominal, es la relación respecto de la tensión primaria nominal del mayor valor de tensión con el cual el transformador satisface especificaciones de calentamiento, por un tiempo determinado y respetando otras condiciones establecidas en las normas.

En Alta Tensión se utilizan, también, transformadores de tensión capacitivos que están esencialmente formados por un divisor capacitivo y un conjunto electromagnético reactor-transformador, dimensionado de manera tal que se comporte como un transformador de tensión inductivo (Ver figura 2.8).

Las características de los equipos son objeto de una tarea que se llama especificación de los equipos y que puede considerarse centro de distintas actividades que conducen al proyecto de la estación.

Estudios de redes, cuando la red aun no existe, permiten aportar los valores de especificación de los elementos, sobre redes existentes permiten juzgar el grado de aprovechamiento de las características, y aportar información para evolución del sistema, o la adquisición de componentes substitutivos.

Experiencia de operación, montaje, ensayos, aportan información de indudable valor, para ser tenida en cuenta en las especificaciones.

Normas, son la base de las especificaciones, son el punto de referencia de los fabricantes de equipos, y la buena especificación debe encontrar solución en equipos reales, con experiencia constructiva, y no obligar a prototipos proyectados a satisfacción de una especificación anormal (fuera de norma!).

Unificación, las normas ofrecen muchas combinaciones de características, dentro de una instalación es bueno que no se presente una variedad grande de aparatos, mas bien es preferible minimizar esta cantidad, esto significa menos repuestos, intercambiabilidad. La especificación debe tener en cuenta estas necesidades y lograr una justa satisfacción.

Frecuentemente los diseños de un fabricante son modulares y utilizan los mismos componentes para realizar distintos aparatos.

En las especificaciones se deben dar indicaciones que permitan seleccionar tipos constructivos y tratamientos adecuados.

Se debe cuidar la adaptación y la resistencia a la polución, a la corrosión, la agresión química, o por microorganismos (por descomposición especialmente en climas tropicales).

Se debe controlar la conservación de características y dimensiones frente a grandes excursiones de temperatura, el envejecimiento debido a temperatura, radiación solar, choque térmico.

Los equipos deben soportar choques y vibraciones durante el transporte.

La especificación debe indicar condiciones anormales de: polución, climas (tropical, desértico, glacial), altitud, sismos (frecuencias, amortiguamientos).

Este es un tema largo y complejo, de alguna manera influenciado por la historia de la técnica, por otra parte cada tipo de aparato presenta sus propias particularidades, a veces invisibles al usuario, hasta que le traen alguna consecuencia particular.

Bajando a ciertos detalles, las diferencias se notan de un fabricante a otro y/o de un país a otro.

Interruptores, su característica mas saliente es el principio de interrupción, aceite, aire, gas SF6, y el numero de interrupciones en serie (cámaras).

También puede observarse la forma, cámara contenedora de los contactos aislada o metálica, y posición relativa de las cámaras cuando múltiples.

Seccionadores, de una, dos o tres columnas, de tipo pantógrafo, con seccionamiento horizontal o vertical.

Transformadores de corriente con núcleo en lo alto, o abajo, con distintas formas del arrollamiento primario de una sola espira, en horquilla, U, barra pasante, o de varias espiras, con varios primarios conectables en serie y paralelo o con derivaciones secundarias para tener distintas relaciones de transformación.

En algunas aplicaciones se utilizan transformadores de corriente montados sobre los aisladores pasantes, se los encuentra en transformadores de potencia y en interruptores con tanque a tierra (de gran volumen de aceite en el pasado, y hoy en algunos de SF6).

Transformadores de tensión inductivos, con núcleos en cascada, o capacitivos.

Transformadores de potencia, monofásicos, trifásicos, de dos o tres arrollamientos, distintos tipos de refrigeración exterior aire natural, forzado, con aerotermos, o refrigerados con agua.

La maniobra de los interruptores se caracteriza por la rapidez, mientras que los seccionadores se mueven en forma relativamente lenta, los primeros deben interrumpir cualquier tipo de corriente, mientras que los segundos están llamados a interrumpir corrientes débiles.

La interrupción de corrientes por los seccionadores, corrientes de transformadores de tensión, transformadores en vacío, barras (capacitivas), líneas en vacío, producen fenómenos de oscilaciones y propagación de sobretensiones, que en algunos casos merecen estudios especiales.

Los transformadores de corriente deben alimentar las protecciones que frecuentemente miran en direcciones opuestas, o que cumplen distintas funciones (protección de barras, de líneas), generalmente se utilizan núcleos distintos.

En algunos casos se prefieren transformadores separados, esto solo se justifica para independizar las relaciones de transformación.

En algunos casos se han puesto transformadores de corriente a ambos lados del interruptor, aparentemente para solapar zonas de protección, esto solo se justifica para el caso de interruptores con tanque a tierra (donde por otra parte los transformadores de corriente, de tipo barra pasante son de costo mínimo).

Para interruptores con tanque vivo (en tensión), los transformadores de corriente deben ser con aislación y se justifica plenamente estudiar las alternativas de alimentación de las protecciones para no duplicar los transformadores de corriente.

Transformadores de tensión, cuando en barras para el sincronismo se requiere al menos uno, cuando en línea se utilizan para medición y protecciones, son necesarios tres.

Para facturación por clase y prestación se prefieren transformadores de tensión inductivos. Otra ventaja de los transformadores inductivos es mejor respuesta transitoria (menos retardo).

Los transformadores capacitivos en general cuestan menos (lo que se nota a mayor tensión) y pueden asumir la función de capacitor de acople para la onda portadora.

La onda portadora se puede instalar en una o dos fases, y se la utiliza para comunicaciones, comando y protección, aunque otro canal de comunicaciones posible y muy bueno es fibra óptica dentro del cable de guardia (de la línea).

A veces por economía no se instala el descargador de línea, un espinterómetro cumple esta función. Si la línea no esta en uso, se encontrara conectada a tierra por lo que el descargador no seria aprovechado. Si en cambio la línea esta en uso los descargadores internos de la estación (próximos a los transformadores) deberán cumplir su función.

Proteger las instalaciones y personal de operación en todo o en parte de las inclemencias atmosféricas.

Se pueden concebir dos casos extremos, toda la instalación a la intemperie o toda la instalación contenida en un edificio.

Siempre la instalación debe ser separada en partes, y lo que corresponde a tableros de control y comando, generalmente requieren un edificio por dos razones; protección de los componentes y protección del personal de operación.

También las instalaciones de distribución en media tensión, cuando existen, es conveniente que sean alojadas en un edificio.

Ciertos servicios auxiliares, como por ejemplo el aire comprimido, requieren también su edificio.

Ejemplo:

Generalmente vemos que una estación eléctrica tiene un área a la intemperie, campos o vanos; un edificio, dividido en salas, que contienen las instalaciones de media tensión tableros de control y comando, otras salas de servicios varios, etc.

Los edificios reciben distintos nombres según la función que tienen, entre ellos tienen además distintas relaciones.

Edificio de comando, es aquel en el que se alojan los tableros de comando y los sistemas de protecciones, en este edificio vive el personal que supervisa la estación y en consecuencia son importantes sus características de habitabilidad.

Edificio de media tensión, es aquel en el que se alojan los tableros de media tensión, (cuando corresponda), en este edificio el personal se encuentra circunstancialmente, como ser en las emergencias y durante los mantenimientos.

Casetas (y/o Kioscos), particularmente cuando el área cubierta por la estación es grande, parte de los equipos de comando y protección no se instalan en el edificio de comando sino próximos a los equipos de potencia, dentro de pequeños edificios cuya función es brindarles abrigo, y condiciones ambientes controladas.

Por distintas razones pueden aparecer otros edificios, destinados a talleres, portería, vivienda del personal, etc.

En algunos casos todas las instalaciones de alta tensión se encuentran alojadas en un edificio. Esta situación se presenta por necesidades particulares, como por ejemplo ofrecer protección de la contaminación atmosférica, o bien evitar que la estación, perturbe el ambiente que la rodea como por ejemplo en las ciudades.

Cuando toda la instalación debe alojarse en un edificio es fundamental lograr minimizar el costo de este, que puede ser una parte muy importante dentro del costo total de la estación.

En la estación nos encontramos con distintas construcciones (excluidos los edificios ya tratados) y que tienen distintas funciones:

- Pórticos, de amarre de líneas que llegan a la estación, de amarre de los conductores de la estación, barras, derivaciones, etc.

- Estructuras soporte, de los distintos equipos de potencia, interruptores, seccionadores, transformadores de medida, descargadores, aisladores, cajas, etc.

- Fundaciones de los pórticos, de los soportes, etc.

- Canales, canalizaciones de los cables, entre los equipos y los tableros de comando.

- Caminos de circulación para control y mantenimiento.

Particular importancia y costo tienen las fundaciones de los transformadores de potencia.

Estos equipos poseen una gran cantidad de aceite (aislante), por lo que el peligro potencial de incendio es grande.

Efectivamente han ocurrido accidentes graves, se trata de un incendio de hidrocarburos, por lo que a veces el proyecto, cuando se le asigna gran importancia a este riesgo, queda muy condicionado y exige construcciones complicadas.

La fundación del transformador, que podría haber sido una simple platea de hormigón, se transforma en una pileta de recolección de aceite y eventualmente con un pozo cisterna.

Cuando se considera necesario los transformadores se separan con muros parallamas cuya función es condicionar la propagación del incendio.

Haciendo una comparación con el cuerpo humano, puede compararse el sistema de comando de la estación al sistema nervioso, cuyo objeto es que el sistema muscular (instalación de potencia) cumpla su función.

En estos tableros encontramos relés, manipuladores, indicadores, etc.

Los tableros de comando transmiten las funciones a los equipos de potencia mediante la red de cables de control multipolares.

El funcionamiento de la estación, como el de toda instalación, requiere distintos suministros, de energía eléctrica para fuerza motriz, iluminación, control, etc. Otros suministros como gas, agua, aire comprimido, etc. y los correspondientes drenajes.

Estos sistemas tienen distintas importancias relativas, pero todos existen y son necesarios.

Tienen por función la alimentación de energía eléctrica que se utiliza en las distintas funciones.

Una falla que afecta el funcionamiento de la red eléctrica puede tener efecto en los servicios auxiliares, ya que por esa causa estos pierden su alimentación, y no pueden funcionar correctamente.

Según el grado de importancia que los auxiliares tienen para el funcionamiento de la instalación, se los clasifica en distintos niveles.

Se trata de tener fuentes de alimentación de mayor confiabilidad, y a ellas se asignan los servicios que requieren la máxima continuidad de alimentación.

Estos se llaman servicios esenciales.

De las fuentes de menor grado de confiabilidad se alimentan los servicios menos críticos.

Generalmente el sistema más seguro es una instalación con baterías de corriente continua.

Ciertas instalaciones poseen un grupo electrógeno de emergencia. Los sistemas menos críticos se alimentan en corriente alterna desde cualquier punto de la red.

En la red de servicios auxiliares encontramos:

Transformadores de media a baja tensión que es finalmente la tensión de utilización.

Tableros de distribución, de donde se alimentan los servicios individuales.

Sistema rectificador y batería, que forman las fuentes de suministro continuo al que se atribuye máxima confiabilidad.

Red de cables que proveen la energía en los puntos en que los consumos lo requieren.